LTE網(wǎng)絡(luò)4扇區(qū)部署性能分析和優(yōu)化建議

馬 晨

（中國(guó)聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司廣東省分公司 廣州510627）

1 引言

隨著半導(dǎo)體、集成電路和計(jì)算機(jī)等電子技術(shù)的發(fā)展，移動(dòng)通信在技術(shù)上獲得了足夠的發(fā)展基礎(chǔ)。互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用和新媒體業(yè)務(wù)的層出不窮，為移動(dòng)通信提供了市場(chǎng)發(fā)展動(dòng)力。

移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)從2G技術(shù)、3G技術(shù)，到目前已迅速演進(jìn)到了4G技術(shù)[1]，通信運(yùn)營(yíng)商利用起步時(shí)間、建設(shè)和運(yùn)維程度不同的3種制式網(wǎng)絡(luò)各自的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)運(yùn)營(yíng)3張網(wǎng)絡(luò)為用戶(hù)提供服務(wù)。盡管在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)過(guò)程中盡量令不同制式的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備共站建設(shè)，但由于3張網(wǎng)絡(luò)頻點(diǎn)不同、技術(shù)差異較大，不同制式設(shè)備在同一站址上多采用疊加方式而非共用方式，而站址的天面資源通常是非常有限的，這就產(chǎn)生了由于天面資源緊張而需要新建站址的問(wèn)題。同時(shí)，隨著較低的頻率被逐漸分配殆盡，可以用于4G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的頻率通常都在2 GHz左右或以上，只有通過(guò)更密的基站建設(shè)才能彌補(bǔ)高頻點(diǎn)帶來(lái)的低覆蓋能力損失。然而，站址獲取卻愈加困難，站址資源也已經(jīng)成為運(yùn)營(yíng)商的戰(zhàn)略資源。如何提高站址資源利用率成為了網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的一個(gè)重要課題。

單站4扇區(qū)建設(shè)方案正是提高站址資源利用率的一種方法。通常，單一基站被配置為3個(gè)扇區(qū)[2]，每個(gè)扇區(qū)覆蓋120°范圍。而4扇區(qū)建設(shè)方案令單一基站配置為4個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)覆蓋90°范圍，從而提高了單站覆蓋能力。

在3G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中，已經(jīng)存在部分4扇區(qū)建設(shè)的站點(diǎn)，并獲得了優(yōu)于3扇區(qū)的覆蓋效果。但在LTE網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中，由于網(wǎng)絡(luò)使用物理小區(qū)標(biāo)識(shí)[3,4]（physical cell ID，PCI）在物理層上標(biāo)識(shí)一個(gè)小區(qū)，而在雙天線(xiàn)情況下，PCI mod 3值決定了該P(yáng)CI表示的小區(qū)的RS（reference signal，參考信號(hào)）RE（resource element，資源粒子）資源在頻域中的位置，一個(gè)3扇區(qū)基站120°的扇區(qū)覆蓋打出的交疊區(qū)占整個(gè)公共區(qū)域的1/3，3個(gè)PCI mod 3值可以保證公共區(qū)域沒(méi)有PCI mod 3值重復(fù)，所以沒(méi)有干擾；一個(gè)4扇區(qū)基站90°的扇區(qū)覆蓋打出的交疊區(qū)占整個(gè)公共區(qū)域的1/4，卻只有3個(gè)PCI mod 3值可用，不可避免地和其他站點(diǎn)的PCI mod 3值沖突，導(dǎo)致了PCI mod 3干擾。4扇區(qū)的PCI mod 3干擾問(wèn)題會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)下降，主要表現(xiàn)為SINR（signal to interference plus noise ratio,信號(hào)與干擾加噪聲比）指標(biāo)變差。

根據(jù)實(shí)際測(cè)試結(jié)果，對(duì)LTE網(wǎng)絡(luò)4扇區(qū)部署性能進(jìn)行了分析，并對(duì)4扇區(qū)干擾問(wèn)題提出了優(yōu)化建議。

2 LTE網(wǎng)絡(luò)4扇區(qū)部署性能

理論上，如果兩個(gè)小區(qū)的PCI mod 3值相同，則其RS RE的頻域位置相同，當(dāng)這兩個(gè)小區(qū)信號(hào)有重疊覆蓋區(qū)域時(shí)，它們之間的RS RE將會(huì)互相干擾，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)SINR下降，進(jìn)而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)整體下行吞吐率下降。

為進(jìn)一步分析LTE網(wǎng)絡(luò)單個(gè)站點(diǎn)部署為4扇區(qū)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的變化情況，進(jìn)行驗(yàn)證測(cè)試。測(cè)試方案如下。

（1）測(cè)試環(huán)境

選取一對(duì)相鄰的站點(diǎn)，一個(gè)站點(diǎn)配置為4扇區(qū)，一個(gè)站點(diǎn)配置為3扇區(qū)。令4扇區(qū)配置站點(diǎn)的小區(qū)A與3扇區(qū)配置站點(diǎn)的小區(qū)B有重疊覆蓋區(qū)域，并令小區(qū)A和小區(qū)B分別為服務(wù)小區(qū)和干擾小區(qū)。調(diào)整兩個(gè)站點(diǎn)的天線(xiàn)傾角，令重疊覆蓋區(qū)域內(nèi)服務(wù)小區(qū)和干擾小區(qū)的參考信號(hào)接收功率（reference signal receiving power,RSRP）相當(dāng)，均為-80 dBm左右。

（2）測(cè)試場(chǎng)景

分別令服務(wù)小區(qū)與干擾小區(qū)配置為PCI mod 3值相同和PCI mod 3值不同的場(chǎng)景，并分別在兩小區(qū)空載和50%加載時(shí)進(jìn)行測(cè)試。

（3）測(cè)試內(nèi)容

令測(cè)試終端置于測(cè)試車(chē)輛上，在服務(wù)小區(qū)與干擾小區(qū)覆蓋重疊區(qū)域進(jìn)行遍歷測(cè)試，實(shí)施FTP下載業(yè)務(wù)。

首先，當(dāng)服務(wù)小區(qū)和干擾小區(qū)空載時(shí)，對(duì)測(cè)試終端的速率和覆蓋重疊區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可知，PCI mod 3值相同時(shí)，即4扇區(qū)部署存在PCI mod 3干擾時(shí)，服務(wù)小區(qū)RSRP有1 dBm的微小增益，SINR則有接近4 dB的下降，平均速率大幅下降了11.38%。

其次，當(dāng)服務(wù)小區(qū)和干擾小區(qū)50%加載時(shí)，對(duì)測(cè)試終端的速率和覆蓋重疊區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可知，PCI mod 3值相同時(shí)，即4扇區(qū)部署存在PCI mod 3干擾時(shí)，服務(wù)小區(qū)RSRP有不到1 dBm的微小增益，SINR有不足1 dB的下降，平均速率僅下降了3.71%。

驗(yàn)證測(cè)試結(jié)果與理論分析基本一致，當(dāng)使用4扇區(qū)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)部署時(shí)，PCI mod 3干擾區(qū)域的RSRP有略微增益，SINR有所下降，隨之小區(qū)下行吞吐率也有所降低。SINR與下行吞吐率的損失程度與小區(qū)負(fù)載程度有關(guān)，空載時(shí)影響較為明顯，隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷的增加，PCI mod 3干擾帶來(lái)的影響也隨之降低。

表1 空載時(shí)4扇區(qū)部署性能

表2 50%加載時(shí)4扇區(qū)部署性能

3 LTE網(wǎng)絡(luò)4扇區(qū)部署優(yōu)化方法和建議

LTE網(wǎng)絡(luò)4扇區(qū)部署優(yōu)化方法主要有SFN合并優(yōu)化技術(shù)和RF優(yōu)化技術(shù)兩種。

其中，SFN合并優(yōu)化技術(shù)是指將兩個(gè)獨(dú)立的扇區(qū)合并為一個(gè)邏輯小區(qū)；RF優(yōu)化技術(shù)是指進(jìn)行填寫(xiě)方位角、下傾角等的工作參數(shù)優(yōu)化。

3.1 SFN合并優(yōu)化技術(shù)

SFN合并技術(shù)是令兩個(gè)獨(dú)立扇區(qū)中相同的時(shí)頻資源同時(shí)為同一個(gè)用戶(hù)提供服務(wù)，從而形成一個(gè)事實(shí)上的邏輯小區(qū)，并且邏輯小區(qū)的覆蓋范圍是兩個(gè)獨(dú)立扇區(qū)覆蓋范圍的合集。SFN合并類(lèi)似于級(jí)聯(lián)的RRU（radio remote unit，射頻拉遠(yuǎn)單元）之間的小區(qū)合并，區(qū)別在于：RRU之間的小區(qū)合并要求合并前的小區(qū)在物理上位于同一個(gè)基站上，而SFN合并可以將要求放松，合并前的小區(qū)在物理上可以位于兩個(gè)基站上。

對(duì)SFN合并技術(shù)在LTE網(wǎng)絡(luò)4扇區(qū)部署中的性能進(jìn)行仿真分析，分別選取現(xiàn)網(wǎng)中不同4扇區(qū)密度的區(qū)域進(jìn)行驗(yàn)證。

對(duì)于4扇區(qū)網(wǎng)絡(luò)低密度區(qū)域，總覆蓋面積為9 km2，覆蓋區(qū)域內(nèi)共54個(gè)站點(diǎn)，平均站間距為434 m，共165個(gè)扇區(qū)，其中8個(gè)為4扇區(qū)站點(diǎn)。4扇區(qū)站點(diǎn)比例約為15%，4扇區(qū)扇區(qū)比例約為19%。對(duì)比網(wǎng)絡(luò)空載和50%加載時(shí)，進(jìn)行SFN合并前后的網(wǎng)絡(luò)性能，RSRP和SINR指標(biāo)的CDF曲線(xiàn)分別如圖1和圖2所示。其中，SFN合并方式為將每個(gè)4扇區(qū)站點(diǎn)中合并效果最佳的兩個(gè)扇區(qū)進(jìn)行合并。

由圖1和圖2可知，由于4扇區(qū)站點(diǎn)比例較小，合并的扇區(qū)共14個(gè)，只占仿真區(qū)域內(nèi)所有扇區(qū)的8%，合并后SINR增益很小，合并前后曲線(xiàn)基本重合。

對(duì)于4扇區(qū)網(wǎng)絡(luò)低密度區(qū)域，總覆蓋面積為4 km2，覆蓋區(qū)域內(nèi)共24個(gè)站點(diǎn)，平均站間距為252 m，共79個(gè)扇區(qū)，其中10個(gè)為4扇區(qū)站點(diǎn)。4扇區(qū)站點(diǎn)比例約為42%，4扇區(qū)扇區(qū)比例約為51%。對(duì)比網(wǎng)絡(luò)空載和50%加載時(shí)，進(jìn)行SFN合并前后的網(wǎng)絡(luò)性能，RSRP和SINR指標(biāo)的CDF曲線(xiàn)分別如圖3和圖4所示。其中，SFN合并方式為將每個(gè)4扇區(qū)站點(diǎn)中合并效果最佳的兩個(gè)扇區(qū)進(jìn)行合并。

在4扇區(qū)密集區(qū)域，單獨(dú)把SFN合并的扇區(qū)覆蓋區(qū)域挑出來(lái)，比較合并前后覆蓋差異，RSRP和SINR指標(biāo)的CDF曲線(xiàn)分別如圖5和圖6所示。

由圖5和圖6可知，兩扇區(qū)SFN合并后，RSRP有不超過(guò)1 dB的增益；SINR增益在1～3 dB，且在高SINR區(qū)間增益明顯。

圖1 4扇區(qū)低密度區(qū)域SFN合并前后整體RSRP變化情況

圖2 4扇區(qū)低密度區(qū)域SFN合并前后整體SINR變化情況

圖3 4扇區(qū)高密度區(qū)域SFN合并前后整體RSRP變化情況

圖4 4扇區(qū)高密度區(qū)域SFN合并

圖5 4扇區(qū)高密度區(qū)域SFN合并扇區(qū)合并

圖6 4扇區(qū)高密度區(qū)域SFN合并扇區(qū)合并

3.2 RF優(yōu)化技術(shù)

RF優(yōu)化和SFN合并是4扇區(qū)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化同等重要的技術(shù)手段。對(duì)比不使用任何優(yōu)化技術(shù)、單獨(dú)使用RF優(yōu)化技術(shù)和單獨(dú)使用SFN合并優(yōu)化技術(shù)時(shí)系統(tǒng)整體下行吞吐量的變化，在4扇區(qū)低密度區(qū)域和4扇區(qū)高密度區(qū)域的仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同4扇區(qū)密度區(qū)域優(yōu)化前后網(wǎng)絡(luò)下行吞吐量對(duì)比

由圖7可知，在4扇區(qū)站點(diǎn)較稀疏的區(qū)域，干擾源主要來(lái)自不同站點(diǎn)的扇區(qū)之間，4扇區(qū)站間扇區(qū)SFN對(duì)整網(wǎng)增益不大，RF優(yōu)化增益更為明顯；而在4扇區(qū)站點(diǎn)較密集的區(qū)域，4扇區(qū)站扇區(qū)間干擾增大，SFN合并增益較大。

3.3 LTE網(wǎng)絡(luò)4扇區(qū)建設(shè)和優(yōu)化建議

4 扇區(qū)部署后，尤其是網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較低時(shí)，網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量明顯惡化。因此在LTE網(wǎng)絡(luò)建設(shè)初期，為降低小區(qū)間干擾，應(yīng)減少不必要的LTE網(wǎng)絡(luò)4扇區(qū)部署。

對(duì)于部署了4扇區(qū)的LTE網(wǎng)絡(luò)區(qū)域，可優(yōu)先使用RF優(yōu)化減少小區(qū)間干擾。RF優(yōu)化既能對(duì)整體網(wǎng)絡(luò)性能的提升有較為明顯的積極作用，又對(duì)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載能力影響最小。

對(duì)于負(fù)載較低且PCI mod 3干擾明顯的小區(qū)，可使用SFN合并技術(shù)提高覆蓋性能。SFN合并對(duì)4扇區(qū)部署產(chǎn)生的干擾有針對(duì)性的削弱作用，但以犧牲網(wǎng)絡(luò)負(fù)載能力為代價(jià)。并且，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較高時(shí)，4扇區(qū)部署引入的干擾作用減弱，SFN合并優(yōu)化帶來(lái)的增益也較小。

4 結(jié)束語(yǔ)

從分析當(dāng)前移動(dòng)通信站址資源緊張、需提高站址資源利用率角度入手，從理論分析和驗(yàn)證測(cè)試兩方面說(shuō)明了LTE網(wǎng)絡(luò)4扇區(qū)部署對(duì)網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的影響；并對(duì)SFN合并優(yōu)化技術(shù)和RF優(yōu)化技術(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹；利用現(xiàn)網(wǎng)站點(diǎn)的仿真結(jié)果對(duì)比了兩種技術(shù)在LTE網(wǎng)絡(luò)4扇區(qū)部署中的增益；最后提出了4扇區(qū)建設(shè)和優(yōu)化建議。

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